Measurement of beauty production in deep inelastic scattering at HERA using decays into electrons [Elektronische Ressource] / Ramoona Shehzadi. Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Measurement of beauty production in deep inelastic scattering at HERA using decays into electrons [Elektronische Ressource] / Ramoona Shehzadi. Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

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Measurement of beauty production indeep inelastic scattering at HERAusing decays into electronsDissertationzurErlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat.)derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakulta¨tderRheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit¨at Bonnvorgelegt vonRamoona ShehzadiausHafizabad (Pakistan)Bonn 2010Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakulita¨t derRheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit¨at Bonn1. Gutachter: Prof. Dr. Ian C. Brock2. Gutachter: Prof. Dr. Jochen DingfelderTag der Promotion: 14.01.2011Erscheinungsjahr: 2011To the Memory of My FatherContents1 Introduction 12 Theoretical Overview 62.1 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Kinematics of Lepton-Proton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 Deep Inelastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.1 Neutral Current DIS Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.2 Quark Parton Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.3 Perturbative Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.4 Factorisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3.5 QCD Evolution Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.6 QCD Improved Quark Parton Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4 Heavy Quark Production in DIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.4.

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Published 01 January 2011
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Measurement of beauty production in
deep inelastic scattering at HERA
using decays into electrons
Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat.)
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakulta¨t
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit¨at Bonn
vorgelegt von
Ramoona Shehzadi
aus
Hafizabad (Pakistan)
Bonn 2010Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakulita¨t der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit¨at Bonn
1. Gutachter: Prof. Dr. Ian C. Brock
2. Gutachter: Prof. Dr. Jochen Dingfelder
Tag der Promotion: 14.01.2011
Erscheinungsjahr: 2011To the Memory of My FatherContents
1 Introduction 1
2 Theoretical Overview 6
2.1 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Kinematics of Lepton-Proton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Deep Inelastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 Neutral Current DIS Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Quark Parton Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.3 Perturbative Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.4 Factorisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.5 QCD Evolution Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.6 QCD Improved Quark Parton Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Heavy Quark Production in DIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1 BGF Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Parton Hadronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.1 Parton Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.2 Fragmentation/Hadronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Beauty Hadrons and Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Monte Carlo Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7.1 Event Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7.2 DIS MC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.7.3 Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.8 Next-to-Leading Order Predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.8.1 NLO Programme HVQDIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
III Contents
3 Beauty Production in DIS at HERA 33
3.1 Beauty Quark Identification Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 ZEUS Collaboration Measurements of Beauty . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 H1 Collaboration Measurements of Beauty . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Beauty Contribution to F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
4 HERA and the ZEUS Detector 42
4.1 The HERA Collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 ZEUS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.1 Microvertex Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.2 Central Tracking Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.3 Uranium-Scintillator Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.4 Rear Tracking Detector (SRTD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 Luminosity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Trigger System and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.1 First-Level Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.2 Second-Level Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.3 Third-Level Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5 Event Reconstruction 60
5.1 Track Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 Vertex Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.1 Beam Spot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Reconstruction of the Scattered Electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.1 Scattered Electron Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.2 Angle Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.3 Energy Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.4 Reconstruction of the Hadronic System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4.1 Reconstruction of EFOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4.2 EFOs and Cone Island Energy Corrections . . . . . . . . . . . . . . 69
5.5 Jet Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.6 Reconstruction of the Kinematic Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.6.1 Electron Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Contents III
5.6.2 Jacquet-Blondel Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.6.3 Double Angle Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.6.4 Comparison of Reconstruction Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6 Event and Candidate Selection 78
6.1 Data and MC Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2 Online Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 Offline Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3.1 Scattered Electron Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3.2 Geometry cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3.3 General cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3.4 Background Suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4 Pre-Selection of Electron Candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4.1 Selection Cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.5 Summary of Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7 Discriminating Observables 95
7.1 Particle Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.1.1 Ionisation Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.1.2 Calorimeter Energy over Track Momentum . . . . . . . . . . . . . . 97
7.1.3 Depth of Energy Deposit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2 Decay Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2.1 Using Mass Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.2 Using Neutrino Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.2.3 Using Lifetime Information. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.3 Alternative Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.3.1 Impact Parameter Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.3.2 Invariant Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
miss,jje
7.3.3 p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109TIV Contents
8 Signal Extraction 112
8.1 Likelihood Ratio Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.1.1 Particle Abundances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.1.2 Probability Density Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.2 Likelihood for Single Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.2.1 dE=dx Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.3 Combined Likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9 Cross Section Determination 121
9.1 Definition of the Cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.2 Monte Carlo Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.2.1 Charm Spectrum Reweighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.2.2 Lifetime Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.2.3 Reweighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
29.2.4 Q Reweighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.3 Acceptance and QED Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.4 Extraction of Beauty Fraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
9.5 Control Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
10 Systematic Studies 132
10.1 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
10.1.1 Electron Background Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
10.1.2 DIS Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
10.1.3 Likelihood Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
210.1.4 Q Reweighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
10.1.5 Reweighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
10.1.6 Charm Spectrum Reweighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
10.1.7 Tracking Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.1.8 Signal Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.1.9 Global Energy Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.1.10Jet Energy Scale and Cut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.1.11Trigger Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.1.12Luminosity Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140